單氣室油氣懸掛阻尼特性動力學參數優化分析

袁自成 謝和平

摘要：建立油氣懸架的四分之一車物理及數學模型;采用狀態空間線性化的數值計算方法，通過軟件聯合仿真分析模型在時域和頻域下的頻率和阻尼特性;根據系統頻率及阻尼特性分析懸掛油缸的F-S和F-V特性;為懸掛油缸結構設計及懸架系統的匹配、調教提供理論依據。

關鍵詞：油氣懸架;狀態空間法;時域和頻域分析;頻率和阻尼特性

油氣懸架以其良好的非線性剛度和阻尼特性，在工程重型車輛，軍用車輛，大型礦用自卸車等領域有著廣泛的應用[1]。車輛固有振動頻率和阻尼比是影響其平順性和穩定性的重要因素，而油氣懸架的性能與固有振動頻率和阻尼比有著密切的關系，所以分析油氣懸架的剛度和阻尼特性對整車性能改善和提升有決定性的作用[2]。本文以某大噸位礦用自卸車前油氣懸架為研究目標，建立四分之一車物理及數學模型，采用數值計算為基礎的計算機聯合仿真的方法，在時域和頻域雙維度下分析油氣懸架的頻率和阻尼特性，以及影響這些特性的關鍵因素和參數，最終確定符合實際使用和工礦要求的油氣懸架性能參數。

1 懸架系統建模及分析

如圖1所示建立四分之一車的等效振動模型，該模型包含簧上質量M，油氣懸掛的非線性等效剛度和阻尼，簧下質量m，輪胎等效剛度和阻尼，路面激勵。

根據牛頓第二定律建立上述模型的動力學方程：

式（1）中為阻尼力函數，為彈簧力函數，求此二階非線性微分方程的解析解是困難的，本文采用基于數值計算的AMESim與Simulink聯合仿真計算和分析。表1為油氣懸架建模的主要參數。

根據上述振動模型和參數建立聯合仿真模型，如圖2所示。

阻尼規格是影響懸架阻尼特性的關鍵因素，本文從阻尼規格方面重點分析。模型在200mm的階躍激勵下，空載和滿載工況車身的振動曲線如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，不同阻尼規格下車身均能在2個周期內熄振，阻尼孔越小熄振速度越快，同時也能更好的限制車身上下振幅，但過小的阻尼孔在頻率較大的交變路面載荷激勵下，懸掛油缸的環形腔內將出現瞬間高壓沖擊，壓力可能達到30～40MPa，對油缸密封及使用壽命都造成巨大損害，所以綜合考慮阻尼規格在10～16mm之間是合適的。

圖5和圖6是平衡態下懸架系統在不同規格阻尼情況下分別在空載和滿載時的根軌跡圖。

由圖5和圖6可知，平衡態下空載和滿載時懸架固有振動頻率分別是1.4Hz和1Hz左右，均符合人體舒適性振動頻率的要求;懸架阻尼比約為0.22也在較為合理的范圍內，在此阻尼比作用下兩個周期內懸架熄振93.7%，車輛可以獲得較好的平順性。

2 懸掛油缸阻尼特性分析

上述從懸架系統的角度分析了四分之一車身在階躍激勵下的振動響應，以及懸架的頻率和阻尼特性。由分析可知阻尼孔規格在10～16mm時懸架系統具有較好綜合性能，車輛可以獲得較好的平順性。下面分析懸掛油缸在正弦交變載荷激勵下的阻尼力-位移（F-S）和阻尼力-速度（F-V）特性，最終確定一個較為合理的阻尼規格。

圖7和圖8為懸掛油缸在頻率為0.5Hz幅值60mm的正弦波激勵下F-S和F-V特性曲線。

由圖7可知，阻尼孔規格不同F-S曲線所包圍的線下面積不同，阻尼越小F-S曲線包圍的面積越大，阻尼力做功越多，吸收振動能量越多;由圖8可知，F-V曲線呈現明顯的非對稱性，且拉伸行程阻尼力遠大于壓縮行程的阻尼力，阻尼越小非對稱性越明顯，說明拉伸行程可以迅速衰減振動。但是拉伸行程和壓縮行程阻尼力的比值不可過大或過小，過大則車身會承受很大的沖擊;過小則振動衰減太慢，舒適性和平順性較差。阻尼規格12mm時，從曲線可知最大阻尼力3.3×104N，最小阻尼力2.9×103N拉伸和壓縮行程綜合特性較好是最合適的選項。

3 結論

本文建立了某大噸位礦用自卸車前懸架四分之一車模型，并對模型進行了聯合仿真和分析。結果表明應用聯合仿真的方法在時域和頻域從整體上對油氣懸架系統分析，能夠高效準確的確定系統的頻率和阻尼特性。以阻尼規格對懸架阻尼特性的影響為例，根據懸架系統分析結果指導油氣懸掛缸的阻尼參數設計，結果表明阻尼孔規格對懸架拉伸和壓縮行程的F-S特性和F-V特性均有顯著的影響，根據阻尼力的位移和速度特性曲線可以精確的確定最合適的阻尼規格。本文的優化分析方法可以為懸掛油缸結構設計以及懸架系統的匹配、調教提供理論指導和依據。

參考文獻：

[1] 李占芳，仝軍令，李威. 單氣室油氣彈簧的優化設計研究 [J].振動與沖擊，2011，30（4）：166-172.

[2] 陳曦. 礦用汽車油氣懸架的特性研究 [D].西南交通大學碩士論文，2013.